Note sull architettura del calcolatore

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1 Note sull architettura del calcolatore 1 Algoritmo Problema Preparazione di una torta Programmazione del VCR MCD tra due numeri Algoritmo Sequenza ordinata di istruzioni che risolve il problema specifico PASSO 1: Fai qualcosa PASSO 2: Fai qualcosa PASSO n: Fermati hai finito 2

2 Problema: consumo medio (km/l) PASSO 1: ACQUISISCI i valori per litri utilizzati, km alla partenza e km all arrivo PASSO 2: PONI il valore di distanza percorsa a (km all arrivo km alla partenza) PASSO 3: PONI il valore di km al litro a (distanza percorsa / litri utilizzati) PASSO 4: STAMPA il valore di km al litro PASSO 5: FERMATI 3 Problema: Equazioni di II o grado ax 2 + bx + c = 0 4

3 Algoritmo: Equazioni di II o grado PASSO 1: ACQUISISCI i valori per a, b e c PASSO 2: PONI il valore di a b 2 4ac PASSO 3: SE il valore di è minore di zero allora PASSO 4: STAMPA Non esistono soluzioni reali ALTRIMENTI PASSO 5: SE il valore di è uguale a zero allora PASSO 6: STAMPA Due soluzioni reali coincidenti PASSO 7: PONI il valore di x a ( b/2a) PASSO 8: STAMPA il valore di x ALTRIMENTI PASSO 9: STAMPA Due soluzioni reali distinte PASSO 10: PONI il valore di x 1 a ( b ) 2a PASSO 11: PONI il valore di x 2 a ( b+ ) 2 a PASSO 12: STAMPA il valore di x 1 e di x 2 PASSO 13: FERMATI 5 Problema: Test di Primalità 9167 è primo? 6

4 Algoritmo: Test di Primalità PASSO 1: ACQUISISCI il valore per n PASSO 2: PONI il valore di primo a 1 PASSO 3: RIPETI i passi da 5 a 7 fino a che primo è uguale a 1 e d è minore di n PASSO 4: SE n d PASSO 5: PONI il valore di primo a 0 ALTRIMENTI PASSO 6: PONI il valore di d a (d+1) PASSO 7: SE il valore di primo è uguale a 1 PASSO 8: STAMPA È primo! ALTRIMENTI PASSO 9: STAMPA Non è primo! PASSO 10: FERMATI 7 Istruzioni (I) Istruzioni sequenziali elaborazione PONI il valore della variabile a espressione aritmetica ingresso ACQUISISCI il valore della variabile, uscita STAMPA il valore di variabile, STAMPA il messaggio 8

5 Istruzioni (I) Istruzioni sequenziali elaborazione PONI il valore della variabile a espressione aritmetica ingresso ACQUISISCI il valore della variabile, uscita STAMPA il valore di variabile, STAMPA il messaggio 9 Istruzioni (II) Istruzioni alternative SE una condizione è vera allora sequenza di istruzioni ALTRIMENTI sequenza di istruzioni Istruzioni ripetitive RIPETI finché una condizione è vera sequenza di istruzioni 10

6 Algoritmo ed Automazione Se siamo capaci di specificare un algoritmo per risolvere un problema, allora siamo in grado di automatizzare la soluzione Bisogna saper costruire una macchina capace di effettuare i passi dell algoritmo 11 Il Calcolatore Un calcolatore è un esecutore di algoritmi in cui un algoritmo viene descritto per mezzo di un programma ed il programma è una sequenza di istruzioni espresse in un linguaggio comprensibile al calcolatore (linguaggio di programmazione) 12

7 Calcolatore 13 Calcolatore e periferiche schermo modem scanner tastiera Calcolatore stampante mouse hard disk floppy disk lettore di CD-ROM 14

8 Struttura logica Architettura di von Neumann (1946) rete di interconnessione (bus di sistema) processore memoria interfacce di I/O periferiche 15 Funzionamento (schema) La memoria contiene dati ed istruzioni (programma) in forma binaria Il processore ripete all infinito le seguenti azioni: preleva una nuova istruzione dalla memoria la decodifica (capisce cosa deve fare!) la esegue (lo fa!) L esecuzione di un istruzione può comportare» elaborazione» trasferimento (memoria processore, I/O processore) Le periferiche permettono al calcolatore di interagire con il mondo esterno 16

9 Calcolatore e Informazione In un calcolatore i dati e le istruzioni sono codificati in forma binaria testo disegni immagini numeri musica IN OUT dispositivi di conversione sequenze di bit Calcolatore bit {0, 1} 17 Rappresentazione Testo (ASCII) Sequenze di 7 bit Disegnini A B C a b Caro amico, 18

10 FONDAMENTALE!!! tastiera C a schermo Disegnini > Sequenze di bit stampante r o Disegnini < Sequenze di bit 19 Perché i bit (I) Tom vuole trasmettere a Ralph un informazione numerica {0..9} Ralph Tom Tom e Ralph lavorano in base dieci 20

11 Perché i bit (II) Una soluzione migliore 0 Linea Linea 1 1 Tom 0 1 Linea 5 Ralph 0 Linea Rappresentazione Naturali (I) BASE DIECI Cifre: 0, 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9 Rappresentazione posizionale (123) dieci significa BASE DUE Cifre: 0, 1 Rappresentazione posizionale (11001) due significa (= 25) dieci 22

12 Rappresentazione Naturali (II) ESPRESSIONE DI UN NUMERO NATURALE IN BASE DUE Esempio: n = 47 inizio fine div 2 div 2 div 2 div 2 div 2 div 2 QUOZIENTE RESTO (101111) due 23 Rappresentazione Naturali (III) ALCUNE PROPRIETÀ Potenza della Base: 2 p (100 00) due p Intervallo di rappresentabilità con p bit p p p p Intervallo 8 [0, 255] 16 [0, 65535] 32 [0, ] p 24

13 Il problema dell overflow IL CALCOLATORE LAVORA CON NUMERO FINITO DI BIT p = 16 bit A = (30421) B = (43127) A + B è maggiore di 2 p -1(65535) quindi non è rappresentabile su p bit, allora si dice che la somma ha dato luogo ad overflow In generale, ci vogliono p+1 bit per rappresentare la somma di due numeri di p bit 25 Struttura logica della memoria (I) indirizzi h bit controllo dati k bit k bit h celle di k bit ognuna Ogni cella ha un indirizzo OPERAZIONI 1) LETTURA di UNA cella 2) SCRITTURA di UNA cella 2 h -2 2 h -1 26

14 Struttura logica della memoria (II) indirizzi h bit controllo dati k bit scegli cella k bit lettura scrittura 2 h -2 2 h Dimensione massima della memoria Valori tipici per k (in bit): 8 (byte), 16, 34, 32, 48 h bit per gli indirizzi 2 h celle h Numero massimo di celle (2 h ) K M M M G 2 10 = 1024 = 1K (kilo) 2 20 = = 1 M (mega) 2 30 = = 1G (giga) 2 40 = = 1T (tera) 28

15 tanto per fissare le idee Dimensione Ordine di Informazione memoria grandezza testuale 1 byte 10 0 un carattere 1 kilobyte 10 3 una pagina scritta 1 megabyte 10 6 due o tre racconti 1 gigabyte 10 9 una biblioteca dipartimentale 1 terabyte la biblioteca di una università 29 RAM e ROM Random Access Memory (RAM) Ogni cella può essere acceduta indipendentemente dalle altre Il tempo di accesso è costante (50 70 ns) Costo: 34 per 128 Mbyte (IVA esclusa) Volatile Read-Only Memory (ROM): unità RAM su cui si può solo leggere Memoria protetta e permanente EROM, PROM, EPROM 30

16 Struttura logica spazio di I/O indirizzi h bit controllo dati k bit scegli interfaccia lettura scrittura periferiche 31 Struttura logica del processore (I) indirizzi h bit registro indirizzi controllo dati k bit registro dati Clock registri generali A Arithmetic Logic B Unit 32

17 Struttura logica del processore (II) CICLO DELLA CPU RIPETI all infinito 1. Leggi dalla memoria l istruzione corrente (Fase di fetch) 2. Interpreta l istruzione 3. Esegui l istruzione (Fase di esecuzione) 4. Vai all istruzione successiva 33 Programma (I) memoria bus cpu I/O (50) (51) (52) 34

18 Programma (II) Leggi un valore in ingresso e ponilo nella cella 50 Leggi un valore in ingresso e ponilo nella cella 51 Carica il registro A con il contenuto della cella 50 Carica il registro B con il contenuto della cella 51 Somma il contenuto del registro B al registro A Immagazzina il contenuto del registro A nella cella 52 Scrivi in uscita il valore della cella 52 c = a + b Istruzione specifica cosa fare e dove farlo Codice Operativo Operandi Carica Reg. B Cella Trasferimento dell informazione memoria interfacce I/O processore periferiche 36

19 Dispositivi di I/O Tastiere, schermi, stampanti rappresentano le informazioni in forma umanamente leggibile Memorie di massa (dischi, CD-ROM, cassette) rappresentano le informazioni in forma binaria accesso diretto» hard-disk, floppy-disk, CD-ROM accesso sequenziale» cassette 37 Struttura logica del disco indirizzi dati controllo cpu memoria I/O Cella Mbyte Volatile Molto veloce Settore Gbyte Permanente Molto lenta 38

20 Struttura fisica del disco traccia testina settore rotazione traccia byte indirizzo dati settore 39 Tempo di accesso al disco TRE COMPONENTI tempo di ricerca: tempo per posizionare la testina sulla traccia latenza: tempo necessario affinché il settore cominci a ruotare sotto la testina tempo di trasferimento: tempo necessario affinché l intero settore passi sotto la testina Il tempo di accesso dipende dal settore scelto e dallo stato corrente del disco 40

21 Esempio Velocità di rotazione = 7200 giri/min 8.33 ms/giro Tempo di spostamento (del braccio sulla traccia adiacente) = 0.02 ms Numero tracce = 1000 Settori/traccia = 50 Byte/settore = 512 Tempo di accesso Migliore (ms) Peggiore (ms) Medio (ms) Tempo di ricerca = = 10 Latenza /2 = 4.17 Trasferimento 8.33/50 = /50 = /50 = 0.17 Totale Memoria vs. Disco MEMORIA DISCO Unità di accesso cella (8, 16, 32 byte) settore (512 byte) Capacità 128 Mbyte 80 Gbyte Volatile/permanente Volatile Permanente Tempo di accesso ns 20 ms Costo 265 /Mbyte 2.5 /Gbyte 42

22 Accesso sequenziale Un settore non è più identificato da un indirizzo Lettura/scrittura: i settori sono acceduti in sequenza testina + settore + dati byte 43